【《分布式光纤传感系统的发展研究国内外文献综述》2800字】

分布式光纤传感系统的发展研究国内外文献综述自20世纪90年代初，一套基础的采用超窄线宽激光器作为光源，基于后项瑞利散射光而制作出的光时域反射计问世以来，近30年以来，科学家及学者们从未停止过对基于光时域反射计的分布式光纤传感器探索的步伐，使用何种探测方法能够获得信噪比更高的信号、提高空间分辨率等；如何对采集到的信号进行解调获取有用的信息，通过一代又一代的实验者进行一次又一次的实验尝试，得到了如今常见的探测及解调的方法，并且能够应用在实际的通信、安防、监测、轨道中。该项技术和国外相比，我国的起步较晚，但在国内高校、科研院所的研究人员的不断努力下，取得了很大的进展，实现了实际场景的探测。随着信息技术时代的到来，该系统以它高灵敏度以及能实现多点信号扰动实时监测等诸多优势，必将成为传感系统中十分成熟的技术手段。1国外研究现状1993年德克萨斯A&M大学Taylor等REF_Ref73786675\r\h[1]REF_Ref73786837\r\h[3]人提出了超窄线宽激光器光时域反射计，对于更微弱的信号也能够探测到；到了1998年Park等REF_Ref73786858\r\h[4]人为验证Φ-OTDR的可行性，第一套使用直接探测的Φ-OTDR系统被搭建出来，它使用了环形激光器来发出连续激光，由声光调制器（AOM）调制成4μs的脉冲光，经耦合器注入6Km的光纤，采用了压电陶瓷（PZT）来模拟振动信号，加载在光纤的1Km处。使用光电探测器接收从耦合器输出的瑞利散射光，实现了扰动信号的监测，提高了探测的效果，但此时的空间分辨率仅有400m，其结构如图1.1所示。图1.3第一套基于直接探测的Φ-OTDR系统结构图图1.4Φ-OTDR扰动检测原理图21世纪初，有研究人员采取直接探测结合干涉仪来提高信噪比和空间分辨率；2005年,Φ-OTDR系统被Taylor等人应用于入侵检测实验REF_Ref73786837\r\h[3]，此时，基于Φ-OTDR的分布式光纤传感器处于起步阶段；2010年，外差探测首次提出，测试范围得到明显提升。2011年，Pan等REF_Ref73786902\r\h[5]基于数字相干检测首次对待测信号进行相位解调，解决了前期研究中大家主要关注传感信号的解调、传输距离提升、信噪比提升而忽略相位信息，无法定量测量的问题REF_Ref73786675\r\h[1]，同年，Qin等REF_Ref73787016\r\h[6]人又提出了一种基于偏振保持的外差探测结构，采用直线感应光纤的新布局来代替传统的光纤环路，有效的将外差探测的空间分辨率提升到1m。随后，相位解调方式不断衍生出来，2013年，3×3耦合器法被普林斯顿大学的He等人应用在Φ-OTDR系统上，信号衰弱得以消除，且及时响应效果明显；2016年，MARTINS等REF_Ref73786998\r\h[7]人把PSK编码与数字I/Q解调相结合，实验结果显示空间分辨率达到了厘米量级，总传感距离为500m;2019年，PDM-BDSK编码被Dorize等REF_Ref73787035\r\h[8]人应用在了基于马赫曾德干涉仪的外差探测器上，提高了长距离传输的灵敏度和高带宽性能。一直到现在，学者们依旧不断在探索直接探测和外差探测的最优化方案，而相位解调的方法也受到了广泛的关注。表1国外近年来Φ-OTDR系统探测、相位解调研究进展年份（年）研究者研究成果主要成就1993Taylor等提出超窄线宽激光器光时域反射计能够探测到更微弱的信号1998Park等搭建第一套直接探测的Φ-OTDR系统提高了探测效果，但空间分辨率仅有400m2005Taylor等Φ-OTDR的分布式光纤传感器应用应用于入侵检测2011Shang等提出基于数字相干解调开创相位解调先河2011Qin等提出基于偏振保持的外差探测结构将外差探测的空间分辨率提升至1m2013He等提出3×3耦合器法进行相位解调信号衰弱得到消除2016Martins等将PSK编码与I/Q解调相结合传感距离达到500m2019Dorize等将PDM-BDSK编码应用在外差探测上长距离传输灵敏度得到提高2国内研究现状国内对分布式光纤传感系统的研究起步较晚，主要依托于高校实验室和相关研究机构，虽然起步晚，但在近几年的研究中取得了巨大的成效。在提高系统的探测与相位解调外，国内更偏向实际场景的测试与应用。2009年，电子科技大学的Rao等REF_Ref73787052\r\h[9]人，把直接探测和双向拉曼放大技术两者进行结合，并在光路上增加了马赫曾德干涉仪，提高了信噪比，探测距离为62Km，空间探测率为100m；2010年，中国科学院半导体研究所在相位生成载波的基础上结合差分自乘，获得了PGC-DSM算法，它具有更高的信噪比和更低的总谐波失真REF_Ref73787068\r\h[10]；在6年后，北京航空航天大学的Shang等REF_Ref73787091\r\h[11]人将微分交叉算法（PGC-DCM）应用于分布式光纤声波传感系统来接收水下的信号，证明了该方法的可行性；同年，电子科技大学Wang等REF_Ref73787106\r\h[12]人在Φ-OTDR中应用了90°光学混频的IQ解调法，实现了10m的空间分辨率和34.1dB的信噪比；2012年，基于数字相干检测和维纳滤波技术Φ-OTDR传感系统被LIANG等REF_Ref73787127\r\h[13]人提出，解决了在系统中存在的由激光器产生的相位噪声和探测器产生的加性噪声引起的相位波动问题，成功提高了相位解调的精度；2017年，天津大学的王大伟等人将直接探测的Φ-OTDR应用在供水管道振动检测上，并在承德做了现场实验对管道泄露的辨识准确率已经达到了96.7%。图1.5光纤传感器管道振动检测原理图2019年，王鹏飞等REF_Ref73787145\r\h[14]人采用直接探测的方法，将Φ-OTDR系统应用于山西省沁水县10Km的煤层气的输气管线上，实现了20m的空间分辨率。在这之后，上海电力公司联合上海先进通信与数据科学研究院使用了两个激光器作为光源搭建了外差探测结构，利用相位差法大大减少了由激光光源产生的噪声，在全长45Km的传输光纤链路上，达到了10m的空间分辨率和37.7dB的信噪比REF_Ref73787169\r\h[15]。近几年来，国内的相位解调技术发展十分迅速，攻克了许多难题，成果显著。表2国内近年来Φ-OTDR系统探测、相位解调研究进展年份（年）研究者研究成果主要成就2006Rao等直接探测与拉曼放大结合，在光路上增加马赫曾德干涉达到62Km的探测距离和100m的空间探测率2010中国半导体研究所相位生成载波的基础上结合差分自乘，获得了PGC-DSM算法提高了信噪比，降低了谐波失真2012Liang等提出基于数字相干检测和维纳滤波技术Φ-OTDR传感系统解决激光器和探测器产生的噪声2016Shang等提出微分交叉算法接收水下信号得到实际应用2016Wang等应用了90°光学混频的IQ解调法10m的空间分辨率和34.1dB的信噪比2017王大伟等直接探测法应用应用在供水管道振动检测，分辨率达到96.7%2019王鹏飞等直接探测法应用应用在煤层气的输气管线上，实现了20m的空间分辨率2019上海电力公司等双激光源相位差法外差探测法达到10m的空间分辨率和37.7dB的信噪比参考文献王磊,李永倩,张立欣,李红.Φ-OTDR系统中的相位解调方法研究进展[J].激光技术,2019,43(1):69-74.马皓钰,王夏霄,马福,于佳.Φ-OTDR型分布式光纤声波传感器研究进展[J].激光与光电子学进展,2020,57(13)：130005.TaylorHF,LeeCE.Apparatusandmethodforfiberopticintrusionsensing:US005194847A[P].1993-03-16.ParkJ,WankuLE,HenryF.Fiberopticintrusionsensorwiththeconfigurationofanopticaltime-domainreflectometerusingcoherentinterferenceofRayleighbackscattering[C]//ProcSPIE3555,OpticalandFiberOpticSensorSystem,1998:49-56.PanZQ,LiangKZ,YeQ,etal.phase-sensitiveOTDRsystembasedondigitalcoherentdetection[C]//OpticalSensorsandBiophotonics,shanghai.Washington,D.C.:OSA,2011:1-6.QinZG,ZhuT,ChenL,etal.Highsensitivitydistributedvibrationsensorbasedonpolarization-maintainingconfigurationsofphase-OTDR[J].IEEEPhotonicsTechnologyLetters,2011,23(15):1091-1093.MASOUDIA，BELALM，NEWSONTP，etal．Adistributedopticalfiberdynamicstrainsensorbasedonphase-OTDR[J].MeasurementScienceandTechnology,2013,24(8):085204.DorizeC,AwwadE,RenaudierJ.HighsensitivityΦ-OTDRoverlongdistancewithpolarizationmultiplexedcodes[J].IEEEPhotonicsTechnologyLetters,2019,31(20):1654-1657.RaoYJ,LouJ,RanZL,etal.Long-distancefiberopticΦ-OTDRintrusionsensingsystem[J].ProceedingsofSPIE,2009,7503:75031O.HeJ,WangL,LiF,etal.Anamelioratedphasegeneratedcarrierdemodulationalgorithmwithlowharmonicdistortionandhighstability[J].JournalofLightwaveTechnology,2010,28(22):3258-3265.ShangY,YangYH,ZhangS,etal.All-digitaldemodulationsystemofinterferometricfiberopticsensorsusinganimprovedPGCalgorithmbasedonfundamentalfrequencymixing[J].OptoelectronicsLetters,2015,11(3)222-225.WangZN,ZhangL,WangS,etal.CoherentΦ-OTDRbasedonI/Qdemodulationandhomodynedetection[J].OpticsExpress,2016,24(2):853-858.LIANGKZh，PANZhQ，ZHOUJ，etal．Multi-parametervibrationdetectionsystembasedonphasesensitiveopticaltimedomainreflectometer[J]．ChineseJournalofLasers，2012，39(8):0805004(inChinese)王鹏飞,董齐,刘昕等.基于Φ-OTDR的煤层气管线外界入侵振动检测系统